CN101926640B - 活体人眼视网膜动态成像仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种活体人眼视网膜动态成像仪，该仪器包括：照明系统(25)，提供光辐射，该光辐射沿着第一光路入射到视网膜上，并被反射从而形成成像光，其中成像光沿着第二光路传播；成像系统(26)，接收沿着第二光路传播的成像光，从而对视网膜特定深度区域进行成像；控制装置(27)，产生调制信号和同步信号来控制照明系统(25)和成像系统(26)，使得照明系统(25)发出脉冲光，且成像系统(26)同步地对受试者眼底进行连续成像，以直接采集获得活体人眼视网膜实时视频或图像序列。上述仪器还包括自适应光学系统(24)，实时校正人眼像差，提高分辨率。本发明相对于现有技术，功能得到拓展，且工作效率大幅提高，增进了其在使用中的有效性。
Description
技术领域
本发明属于人体成像技术领域，具体地，涉及一种用于对活体人眼视网膜进行连续动态成像的装置，特别是以高分辨率来连续动态成像的活体人眼视网膜成像仪。
背景技术
人眼像差中除了含有离焦、散光等低阶像差以外，还含有不可忽略的高阶像差组分；同时人眼像差具有个性化、缓变等特点。目前商业化的眼底相机、验光仪等眼科设备除了完善仪器自身光学设计外只能够静态地补偿低阶人眼像差，故整体光学分辨率不可能达到衍射极限水平。自适应光学技术恰好弥补了此缺陷，直接推动了眼底影像学和视光学的发展。国外David Williams、Donald Miller、Pablo Artal等研究团队及国内中国科学院光电技术研究所采用基于自适应光学技术的显微成像系统先后获得了活体眼底视网膜小视场、高分辨率图像，可以清晰辨识出视细胞簇、毛细血管此类现有眼科仪器无法呈现的微结构。中科院光电所更是在国家863计划和自然科学基金资助下率先将实验系统整合实现仪器化。相关工作可以参见中国专利申请号“200420060167.9”、中国专利公开号“2728418Y”、中国专利公开号“2728419Y”、中国专利公开号“1282564A”、以及论文“A smalladaptive optical system on table for human retinal imaging”，YudongZhang，Ling Ning et al.，Proc.of the 3rd international workshop onadaptive optics for industry and medicine，97-104，2001。
实际应用时，上述活体人眼视网膜显微成像系统功能尚存在局限性。前期系统设计为单帧成像，相机本次曝光和下次曝光之间间隔较长时间，不支持对眼底视网膜进行实时监视和连续拍摄，故该系统不适用于视网膜生理或病理动态过程的观察。相对地，一些基于点扫描原理的成像技术虽已实现眼底动态成像(见文章“Adaptive opticsscanning laser ophthalmoscopy”，Austin Roorda et al.，Opt.Express Vol.10No.9，405-412，2002)，然而其不如成像方式简单直观，横向分辨率有所不及；且含有运动部件，长期使用可靠性降低；共焦孔阑对位置及对准精度要求较高，调试维修亦不方便。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于面成像系统，实行连续动态成像，用于获取活体人眼视网膜实时视频或动态图像序列的光学仪器；同时，优选地，实时校正人眼像差改善成像质量，以提高系统分辨率。
本发明提供了一种活体人眼视网膜动态成像仪，包括：照明系统，提供光辐射，该光辐射沿着第一光路入射到视网膜上，并被反射从而形成成像光，其中成像光沿着第二光路传播；成像系统，接收沿着第二光路传播的成像光，从而对视网膜特定深度区域进行成像；控制装置，产生调制信号和同步信号来控制照明系统和成像系统，使得照明系统根据调制信号发出脉冲光，且成像系统根据同步信号配合该脉冲光同步地对受试者眼底进行连续成像，以直接采集获得活体人眼视网膜实时视频或图像序列。
优选地，该活体人眼视网膜动态成像仪还可以包括自适应光学系统，用于对沿第二光路传播的成像光进行自适应像差校正以提高成像的分辨率，该自适应光学系统包括：信标光源，其发出的信标光被耦合为沿第一光路传播，从而入射到视网膜上，在眼底形成一个可供人眼波前像差探测的信标；波前传感器，接收沿第二光路传播的视网膜反射的信标光，对信标光的波前进行检测，并将检测结果送入控制装置，再由控制装置根据所述检测结果得到校正信号；以及波前校正器，设置在第二光路中，以根据校正信号，对沿第二光路传播的成像光进行像差校正。
优选地，波前传感器可以包括微棱镜阵列哈特曼波前传感器、微透镜阵列哈特曼波前传感器、四棱锥传感器、曲率传感器之一。
优选地，波前校正器可以为反射型或透射型，例如包括分块镜面变形镜、连续镜面变形镜、双压电陶瓷变形镜、电致伸缩陶瓷变形镜、微机械薄膜变形镜、表面微机械变形镜、液晶波前调制器件之一。
优选地，控制装置可以包括系统电路，所述系统电路包括：波前处理电路模块，根据波前传感器检测到的波前，计算校正信号；信号发生电路模块，产生用于控制照明系统的调制信号以及协调照明系统和成像系统工作的同步信号；驱动电路模块，根据校正信号驱动波前校正器来进行像差校正，以及根据调制信号驱动照明系统来产生脉冲光。
优选地，照明系统可以包括：照明光源，用于发出光辐射；以及光开关，用于根据调制信号，对照明光源发出的光进行调制，从而产生脉冲光。
优选地，照明系统可以包括：直接调制光源，用于根据调制信号，直接产生脉冲光。
优选地，照明系统还可以包括：光束调整模块，连接在光源下游，用于退化光辐射的相干性。优选地，所述光束调整模块可以采用单根多模光纤、或光纤阵列、或旋转的微光学随机位相片、或旋转的毛玻璃、或缠绕在振动薄膜上的光纤之一作为消相干器件。
优选地，成像系统可以包括：成像透镜，用于聚焦沿第二光路传播的成像光；以及成像相机，接收成像透镜聚焦的成像光，从而对视网膜特定深度区域进行成像。优选地，成像相机为支持外同步曝光功能的成像器件，例如包括ICCD相机、EBCCD相机、EMCCD相机之一。
优选地，成像系统还可包括：平移台，成像相机固定于该平移台上，从而平移台在控制装置的控制之下移动成像相机，以改变成像相机的光学共轭位置，实现对视网膜不同深度区域进行调焦。
上述发明通过设置调制信号、成像相机和平移台的参数可以有实时监视、多帧连拍以及轴向自动扫描三种工作方式，除了可获得眼底视网膜局部区域的高分辨率实时视频或图像序列以外，还能够实现整个视网膜不同深度横断面片层高分辨率快速扫描。
与现有技术相比，本发明具有众多优点。本发明采用对照明系统进行调制所得到的脉冲光照明眼底，成像相机在同步信号控制下序列曝光，这种新的连续动态成像模式不同于早期单帧静态成像系统，故在成像帧速、记录深度等能力上具有本质性的差异，能够获取目标时间分辨意义相关的信息，例如能够实时监视视网膜生理活动或病理变化，能够便捷地实现感兴趣方位区域视网膜层不同深度横断面扫描，拓展了一般人眼视网膜自适应光学系统功能。此外，本发明一个工作周期内连续多次拍摄眼底目标，故工作效率大幅提高。上述优点增进了本发明在实际使用中的有效性。
附图说明
参照附图，并阅读如下对本发明的详细描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将变得更加清楚，在附图中：
图1是根据本发明实施例的活体人眼视网膜动态成像仪的示意图；
图2是根据本发明实施例的控制装置的示意图；
图3是根据本发明实施例的波前传感器为微棱镜阵列哈特曼波前传感器的实例示意图；
图4是根据本发明实施例的光束调整模块中的消相干器件为缠绕在振动薄膜上光纤的实例示意图；以及
图5为根据本发明另一实施例的活体人眼视网膜动态成像仪的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
如图1所示，根据本发明实施例的活体人眼视网膜动态成像仪包括照明系统25、成像系统26以及由系统电路22和PC机23组成的控制装置27，由图中虚线框所示。
在本发明中，为了实现动态连续成像，照明系统25在控制装置27的控制下发出脉冲形式的照明光。为此，照明系统25可包括发出连续光的照明光源1、以及对照明光源1发出的光进行调制从而形成脉冲光的光开关3。照明光源1例如可以是相干光源，如LD、SLD、超连续谱光源；也可以是非相干光源，如LED、卤素灯、气体放电光源。此外，光开关3例如可以是电控机械快门，或光斩波器，或是能够实现上述功能的其它任何基于电光效应、声光效应、磁光效应、液晶技术、MEMS技术的可控光强调制器件。当然，照明光源1本身可为脉冲式光源，例如，可以为直接调制光源，在控制装置27对其进行直接调制而直接输出脉冲光。此时，光开关3不是必须的。
可选地，照明系统25还可包括滤光片2，用于对照明光源1发出的光进行光谱选择滤波。
在本发明中，优选地使用非相干光进行照明。因此，当照明光源1为相干光源如激光器时，照明系统25优选地还包括光束调整模块4，用于退化光束相干性。光束调整模块4可以采用单根多模光纤、或光纤阵列、或旋转的微光学随机位相片、或旋转的毛玻璃、或缠绕在振动薄膜上的光纤作为消相干器件。如果照明光源1本身为非相干光源，则光束调整模块4不是必须的。
图4是光束调整模块4中的消相干器件为缠绕在振动薄膜上光纤的实例示意图。如图4所示，平行照明光由透镜401耦合入一段多模光纤402，通过光纤的模式色散来减弱照明光的相干性。光纤402输出端口由透镜405准直扩束，然后进入主光路。多模光纤402缠绕在层叠的薄膜404上，给电声换能器403施加高频交流信号，光纤402便随薄膜404一起振动。相干性造成的散斑会因为运动而进一步被平滑减弱。
这里需要指出的是，图1中所示照明系统25中的部件2、3、4的相对位置关系仅仅是示意性的。比如，照明光源1发出的光可以先通过光束调整模块4进行消相干，然后再通过光开关3对该非相干光进行调制以产生脉冲光。当然，本领域技术人员还可以想到其他设置方式。
如上构成的照明系统25，其发出的照明光沿着第一光路传播进而入射人眼10。如图1所示，在第一光路中设有反射镜16和分光镜20，照明光依次经反射镜16、分光镜20反射后进入人眼10。需要指出的是，图1所示的第一光路仅仅是示意性的，本领域技术人员可以想到利用反射镜、棱镜、透镜、分光镜等光束控制元件来不同地设置第一光路。
照明光入射人眼10后，被眼底视网膜层反射，反射光沿着第二光路传播直至被成像系统26接收，从而获得视网膜的像。如图1所示，在第二光路中设有分光镜20、扩束光组12、缩束光组13、反射镜17、反射镜18，通过这些光学元件的透射/反射作用，眼底反射光(成像光)最终进入成像系统26。需要指出的是，图1所示的第二光路仅仅是示意性的，本领域技术人员可以想到利用反射镜、棱镜、透镜、分光镜等光束控制元件来不同地设置第二光路。
根据本发明的实施例，成像系统26包括成像透镜15和成像相机8。成像透镜15将第二光路传播来自眼底目标的光束(成像光)聚焦到成像相机8的光敏元件靶面，从而由成像相机8获得眼底视网膜目标的影像。成像相机8例如可以是常规的高灵敏度、高像素CCD或CMOS相机，或者也可以是新型增强型成像器件，如ICCD相机、EBCCD相机、EMCCD相机。这里需要指出的是，根据实际要求，优选地，成像相机8应该支持外同步曝光功能，以便在控制装置27的控制下，与照明系统25同步工作，从而对人眼10眼底进行动态连续成像。
可选地，成像系统26还可以包括平移台9，成像相机8固定于该平移台9上。平移台9可按控制装置27发出的指令移动而改变成像相机8光学共轭位置，实现对视网膜层不同深度区域调焦。
为了对整体像差(包括人眼屈光系统自身像差)进行校正，从而实现高分辨率成像，根据本发明的活体人眼视网膜动态成像仪还可以包括自适应光学系统24。例如，如图1所示，该自适应光学系统24包括信标光源5、波前传感器6、波前校正器7。具体地，信标光源5发出信标光，经过准直透镜11准直，然后由分光镜19(反射)而耦合到第一光路，接着，信标光沿着第一光路入射到人眼10中，在眼底形成一个可供人眼波前像差探测的信标。信标光被人眼10眼底反射，这样，当光束从人眼10出射时便携带有人眼屈光系统像差信息，反射的信标光于分光镜20处透射，沿着第二光路传播。在第二光路中，另外设置有分光镜21，沿第二光路传播至此处的信标光发生反射，通过光束口径匹配光组14后进入波前传感器6。
波前传感器6对接收到的反射信标光的波前(携带有像差信息)进行检测，并将检测结果送入控制装置27。波前传感器6可以是微棱镜阵列哈特曼波前传感器，或者微透镜阵列哈特曼波前传感器，或四棱锥传感器，或曲率传感器。
图3是波前传感器6为微棱镜阵列哈特曼波前传感器的实例示意图。这种波前传感器在中国专利申请号03126431.X中公开(其公开整体合并于此以作参考)，它由变周期二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列601、傅立叶透镜602和CCD 603组成。傅立叶透镜602紧贴变周期二维锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列601，CCD 603的光敏靶面位于傅立叶透镜602焦面上。入射传感器的光束将会得到一个对应孔径分割的光斑阵列。该器件事先将标准平面波入射产生的光斑阵列保存起来作为标定基准，当带有人眼10像差信息的波前入射时，各个局部波前对其子孔径内二维锯齿形相位光栅产生新的附加相位，该相位变化将反映为CCD 603靶面上光斑位置相对于标定位置的偏移。从而，该器件可对包括人眼在内的成像光路像差进行测量，并将结果送入控制装置27，由控制装置27据此实施像差校正。
波前校正器7设置在第二光路中，用于根据来自控制装置27的校正信号，实时补偿人眼10自身像差对成像光束质量的影响。波前校正器7可以是反射型波前校正器(如图1所示)，例如分块镜面变形镜、或连续镜面变形镜、或双压电陶瓷变形镜、或电致伸缩陶瓷变形镜、或微机械薄膜变形镜、或表面微机械变形镜、或液晶波前调制器件；或者，波前校正器7可以是透射型波前校正器(如图5所示)，例如液晶波前调制器件。
根据本发明的实施例，为了实现对各部件的控制，控制装置27由系统电路22和PC机23联合组成，其中系统电路22可包括(参照图2)：波前处理电路模块221，用于对从波前传感器6送来的信号进行处理，以实时计算校正信号，并可将中间结果发送到PC机23以便分析得到全眼屈光系统波像差；信号发生电路模块223，产生针对照明系统25(例如，光开关3)的调制信号以及协调光开关3和成像相机8的同步信号；驱动电路模块222，用于根据调制信号驱动照明系统例如光开关3工作以产生脉冲光，另外还根据校正信号，驱动波前校正器7工作。应该注意，控制装置27的这些功能可通过不同的模块来实现；这些模块可以以硬件、软件或其组合的形式予以实现。
以下，将描述如上构成的活体人眼视网膜成像仪的操作过程。
在包括自适应光学系统24的情况下，在仪器启动之后，首先进行自适应光学像差校正。信标光源5发出信标光，经过准直透镜11准直，且经分光镜19反射，耦合到第一光路中，并传播进入人眼10。眼底视网膜反射信标光出射人眼10以后，沿第二光路传播，具体地，反射信标光在分光镜20处透射，接着经扩束光组12后被设置于该第二光路中的波前校正器7反射，然后经过缩束光组13，后被反射镜17反射，于分光镜21处再次反射，从而离开第二光路，通过光束口径匹配光组14，最终进入波前传感器6进行光斑质心偏移量的探测，探测数据送入系统电路22处理得到波前斜率。一方面PC机23根据所得的波前斜率复原出全眼屈光系统波像差，另一方面系统电路22对波前斜率作进一步计算，求出相应校正此波像差所需施加的校正信号，并将其放大后驱动波前校正器7实时补偿因人眼10像差而畸变的光束波前，使成像系统始终保持接近衍射极限分辨率的最佳状态。
完成像差校正之后，系统电路22维持自适应系统24继续工作并通知PC机23，仪器随即开始成像。系统电路22中的波前处理模块221先向信号发生电路模块223发出选通信号，由信号发生电路模块223产生光开关3的调制信号以及协调光开关3和成像相机8的同步信号。该调制信号通过驱动电路模块222调理放大后加载到光开关3，光开关3由初始的关闭状态转为跟随控制信号工作。于是，照明光源1发出的连续光经光开关3调制成为脉冲光，然后该脉冲光被耦合进入第一光路。具体地，该脉冲光经反射镜16反射，穿过第一分光镜19，再经分光镜20反射，从而进入人眼10，照射眼底。眼底反射光亦沿着第二光路传播，直至分光镜21处透射，然后经反射镜18反射，最终由成像透镜15聚焦到成像相机8靶面上。成像相机8根据信号发生电路模块223产生的同步信号配合光开关3同步序列曝光，一段时间内快速连续采集多帧眼底视网膜高分辨率图像，并传送给PC机23以实时视频或动态图像序列显示。因此，根据本发明的系统能够直接采集获得活体人眼视网膜高分辨率实时视频或图像序列，而无需多余的数据处理。
在以上实施例中，波前校正器7为反射型。可选地，波前校正器7也可为透射型。图5示出了根据本发明另一实施例的活体人眼视网膜成像仪，其中波前校正器7为透射型。在附图5中，与图1中相同的部件由相同的标号表示。可以看出，除了波前校正器7为透射型从而造成第二光路在波前校正器7处有所变化之外，该实施例与前述实施例的原理和工作方式相同，在此不再赘述。这里还需要指出的是，在该实施例中，通过对照明光源1进行直接调制，照明光源1直接输出脉冲光，因而无需上述的光开关3。
可选地，根据本发明的实施例，在对视网膜实施成像时，通过设置调制信号、成像相机8和平移台9的参数可以有实时监视、多帧连拍以及轴向自动扫描三种不同的工作方式。
(1)实时监视方式：平移台9不工作，成像相机8按照一定频率(例如，视频25Hz)对同一视网膜层目标进行连续采集，PC机23不断刷新屏幕显示最新的图像帧，可对人眼10视网膜局部区域进行实时监视。
(2)多帧连拍方式：针对固定的人眼10视网膜断层面成像，平移台9不工作，PC机23记录在设定曝光持续时间内所获得的一系列视网膜目标图片。
(3)轴向自动扫描方式：平移台9与成像相机8二者并行工作，即成像相机8连续曝光过程中平移台9不断改变位置，这种方式连续拍摄获得的视频或图像序列即是人眼10的眼底视网膜不同深度横断面片层扫描结果。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
Claims (15)
1.一种活体人眼视网膜动态成像仪，包括：
照明系统(25)，提供光辐射，该光辐射沿着第一光路入射到视网膜上，并被反射从而形成成像光，其中成像光沿着第二光路传播；
成像系统(26)，接收沿着第二光路传播的成像光，从而对视网膜特定深度区域进行成像；
控制装置(27)，产生调制信号和同步信号来控制照明系统(25)和成像系统(26)，使得照明系统(25)根据调制信号发出脉冲光，且成像系统(26)根据同步信号配合该脉冲光同步地对受试者眼底进行连续成像，以直接采集获得活体人眼视网膜实时视频或图像序列；
所述的活体人眼视网膜动态成像仪，还包括自适应光学系统(24)，用于对沿第二光路传播的成像光进行自适应像差校正以提高成像的分辨率，所述自适应光学系统(24)包括：
信标光源(5)，其发出的信标光被耦合为沿第一光路传播，从而入射到视网膜上，在眼底形成一个可供人眼波前像差探测的信标；
波前传感器(6)，接收沿第二光路传播的视网膜反射的信标光，对信标光的波前进行检测，并将检测结果送入控制装置(27)，再由控制装置(27)根据所述检测结果得到校正信号；以及
波前校正器(7)，设置在第二光路中，以根据校正信号，对沿第二光路传播的成像光进行像差校正；
其中，所述控制装置(27)包括系统电路(22)，所述系统电路(22)包括：
波前处理电路模块(221)，根据波前传感器(6)检测到的波前，计算校正信号；
信号发生电路模块(223)，产生用于控制照明系统(25)的调制信号以及协调照明系统(25)和成像系统(26)工作的同步信号；
驱动电路模块(222)，根据校正信号驱动波前校正器(7)来进行像差校正，以及根据调制信号驱动照明系统(25)来产生脉冲光。
2.根据权利要求1所述的活体人眼视网膜动态成像仪，其中，所述波前传感器(6)包括微棱镜阵列哈特曼波前传感器、微透镜阵列哈特曼波前传感器、四棱锥传感器、曲率传感器之一。
3.根据权利要求1所述的活体人眼视网膜动态成像仪，其中，所述波前校正器(7)为反射型或透射型，包括分块镜面变形镜、连续镜面变形镜、双压电陶瓷变形镜、电致伸缩陶瓷变形镜、微机械薄膜变形镜、表面微机械变形镜、液晶波前调制器件之一。
4.根据权利要求1所述的活体人眼视网膜动态成像仪，其中，所述照明系统(25)包括：
照明光源(1)，用于发出光辐射；以及
光开关(3)，用于根据调制信号，对照明光源(1)发出的光进行调制，从而产生脉冲光。
5.根据权利要求4所述的活体人眼视网膜动态成像仪，其中，照明光源(1)为相干光源。
6.根据权利要求5所述的活体人眼视网膜动态成像仪，其中，所述相干光源为激光二极管、超辐射发光二极管、超连续谱光源之一。
7.根据权利要求4所述的活体人眼视网膜动态成像仪，其中，所述照明光源(1)为非相干光源。
8.根据权利要求7所述的活体人眼视网膜动态成像仪，其中，所述非相干光源为发光二极管、气体放电光源之一。
9.根据权利要求4所述的活体人眼视网膜动态成像仪，其中，所述光开关(3)包括电控机械快门、或光斩波器，或其它基于电光效应、声光效应、磁光效应、液晶技术、MEMS技术之一的可控光强调制器件。
10.根据权利要求1所述的活体人眼视网膜动态成像仪，其中，所述照明系统(25)包括：直接调制光源，用于根据调制信号，直接产生脉冲光。
11.根据权利要求4所述的活体人眼视网膜动态成像仪，其中，所述照明系统(25)还包括：光束调整模块(4)，连接在照明光源(1)下游，用于退化光辐射的相干性。
12.根据权利要求11所述的活体人眼视网膜动态成像仪，其中，所述光束调整模块(4)采用单根多模光纤、或光纤阵列、或旋转的微光学随机位相片、或旋转的毛玻璃、或缠绕在振动薄膜上的光纤作为消相干器件。
13.根据权利要求1所述的活体人眼视网膜动态成像仪，其中，所述成像系统(26)包括：
成像透镜(15)，用于聚焦沿第二光路传播的成像光；以及
成像相机(8)，接收成像透镜(15)聚焦的成像光，从而对视网膜特定深度区域进行成像。
14.根据权利要求13所述的活体人眼视网膜动态成像仪，其中，所述成像相机(8)为支持外同步曝光功能的成像器件，包括ICCD相机、EBCCD相机、EMCCD相机之一。
15.根据权利要求13或14所述的活体人眼视网膜动态成像仪，其中，所述成像系统(26)还包括：
平移台(9)，成像相机(8)固定于该平移台(9)上，从而平移台(9)在控制装置(27)的控制之下移动成像相机(8)，以改变成像相机(8)的光学共轭位置，实现对视网膜不同深度区域进行调焦。
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